场效应晶体管(场效应管)

1、推荐参考书模拟电子技术美 Robert L. BoylestadLouis Nashelsky 著李立华 李永华等译电子工业出版社RIRFIFIFIRICIEIBECBDeDcE-M Model以NPN硅管直流模型交流模型简化交流模型低频信号简化共发射极接法 共基极接法 1.4 场效应晶体管MOS电容( Metal-Oxide-Semiconductor )P+P型硅型硅二氧化硅二氧化硅金属金属VG（a）VG0非平衡空穴非平衡空穴电场方向电场方向P+P型硅型硅VG耗尽层耗尽层电场方向电场方向（b）0VGVTH 电场方向电场方向P+P型硅型硅VGN沟道更宽沟道更宽电场方向电场方向（d）继续增大）

2、继续增大VG 金属氧化物半导体（金属氧化物半导体（MOS）电容外加偏压）电容外加偏压栅极栅极G漏极漏极D源极源极S源极源极S漏极漏极D栅极栅极G衬底衬底B衬底衬底B增强型增强型(E型型)N沟道沟道增强型增强型(E型型)P沟道沟道栅极栅极G源极源极S漏极漏极DN N+ +N N+ +P区区（P P型衬底）型衬底）氧化层氧化层O金属层金属层MPNPN结耗尽层结耗尽层栅极下的绝缘沟道栅极下的绝缘沟道衬底衬底B半导体半导体S1 1、结构、结构二、增强型N沟道MOSFET 2 2、工作原理、工作原理( (导电沟道的形成过程导电沟道的形成过程) ) 当VGS0时，两N+区(S、D)之间不导电；S Si i

3、O O2 2层层N+N+PNPN结结P P型衬底型衬底VGSDGSB电场方向电场方向 当0VGSVTH时，形成电子为多数载流子的N沟道(反型层)。若在D、S之间外加电压，则将有电流通过N沟道。 因VGSVTH时才会产生导电沟道，故称该MOSFET为增强型，VTH称开启电压。S Si iOO2 2层层N+N+PNPN结结P P型衬底型衬底VGSDGSB MOSFET的工作原理可描述如下： VGS作用产生感生沟道用VGS电场效应控制沟道宽度改变D-S之间的导电能力，使得漏极电流ID随VGS变化(VCCS)。S Si iOO2 2层层N+N+PNPN结结P P型衬底型衬底VGSDGSBS Si iO

4、 O2 2层层N+N+PNPN结结P P型衬底型衬底DGSBVGS沟道长度沟道长度（5）VDS的影响GDGSDSTHVVVV noxDGSTHDSDSC WIVVVVL 222变电阻区 导电沟道形成导电沟道形成后，外加电压后，外加电压VDS,就会产生漏极电流就会产生漏极电流ID。由于。由于VDS 沿沟沿沟道方向降落，沟道道方向降落，沟道上的各点电位不等上的各点电位不等, 导电沟道呈导电沟道呈“楔楔形形”。 GDGSDSTHVVVV 导电沟道被夹断，导电沟道被夹断，称为称为“预夹断预夹断”，由，由于夹断区内存在从漏于夹断区内存在从漏极指向源极方向的内极指向源极方向的内电场电场, , 电子在电场驱

5、电子在电场驱动动, ,穿过夹断区到达穿过夹断区到达漏极，形成了从漏极漏极，形成了从漏极到源极的电流。到源极的电流。S Si iO O2 2层层N+N+PNPN结结P P型衬底型衬底VDSDGSBVGS沟道长度沟道长度GDGSDSTHVVVV 饱和区和变电阻区分界线 noxDGSTHC WIVVL 22GDGSDSTHVVVV VDS继续增大继续增大, 沟道长度变短，从沟道长度变短，从而引起沟道电阻减而引起沟道电阻减小。在同样的小。在同样的VGS作作用下，用下，ID随随VDS的增的增加而略有增加加而略有增加 。这。这种现象称为种现象称为“沟道沟道长度调制效应长度调制效应”。 S Si iO O2

6、 2层层N+N+PNPN结结P P型衬底型衬底VDSDGSBVGS沟道长沟道长度度 noxDGSTHDSAC WIVVVVL 21/2归纳如下：VGSVTH时，时，无导电沟道， ；“截止区”DI 0 noxDGSTHDSDSC WIVVVVL 222VGSVTH且 时， “变电阻区” ；GDGSDSTHVVVV VGSVTH且 时， “饱和区” ；GDGSDSTHVVVV noxDGSTHDSAC WIVVVVL 21/2沟道长度调制效应，常忽略沟道长度调制效应，常忽略 3 3、NEMOSFETNEMOSFET伏安特性曲线伏安特性曲线 转移特性|0VGSDDS)V(fI VGSVTH时时(VD

7、S不变不变)，VGS 导电沟道截导电沟道截 面积面积RID； 转移特性曲线特点： ID(mA)VGS(V)沟道长度沟道长度调制效应调制效应VTHVDSVGS-VTHVGSVTH且且VGS不变时不变时，变电阻区：变电阻区：VDSID，饱和区：饱和区： VDSID略略（沟道长度调制效应沟道长度调制效应）转移特性曲线特点： noxDGSTHDSDSC WIVVVVL 222变电阻区：饱和区： noxDGSTHDSAC WIVVVVL 21/2ID(mA)VGS(V)沟道长度沟道长度调制效应调制效应VTHVDSVGS-VTH（2）输出特性|VI0VDSDGS)( fID(mA)VDS(V)VGS(V)

8、=6V5.5V4.5V3.5V4V5V沟道长度调制效应变阻区饱和区放大区 变阻区特点 VGS一定，则一定，则VDS与与ID不成线性关系；不成线性关系； VDS一定，则一定，则VGS与与ID成线性关系；成线性关系； noxDGSTHDSDSC WIVVVVL 222变电阻区： 饱和区特点 VGS一定，则一定，则ID与与VDS基本无关；基本无关； VDS一定，则一定，则ID与与VGS也不成线性关系；也不成线性关系； 沟道长度调制效应，沟道长度调制效应，VDS ID 略略；ID(mA)VDS(V)VGS(V)=6V5.5V4.5V3.5V4V5V沟道长度调制效应变阻区饱和区放大区饱和区： noxDG

9、STHDSAC WIVVVVL 21/2 VVVTHGSDS分界点： 4 4、衬底效应、衬底效应( (背栅效应背栅效应) ) 对分立元件电路，对分立元件电路，S极和衬底极和衬底B要相连要相连(VBS0)，保证，保证PN结不出现正偏。结不出现正偏。在集成电路中，在集成电路中，对对N沟道沟道MOSFET衬底衬底B(P型型)应接到系统应接到系统最低最低电位电位上。上。VDSS Si iO O2 2层层N+N+PNPN结结P P型衬底型衬底DGSBVGS沟道长度沟道长度三、其它三种三、其它三种MOSFETMOSFET 1 1、增强型、增强型P P沟道沟道MOSFETMOSFET栅极栅极G源极源极S漏极

10、漏极DP+P+N区区（N型衬底）型衬底）PN结结氧化层氧化层金属层金属层PN结结衬底衬底B 与N沟道MOSFET的主要差别：l衬底为衬底为N型，型，S和和D为为P区；区；l外加电压外加电压VGS0，VDS0；l开启电压开启电压VTH0；l饱和区电流饱和区电流( (流出漏极为负流出漏极为负) )可以表示为：可以表示为： ADS2THGSoxPDVV1VVL2WCI l应用时，衬底与源极相连或接系统最高电位应用时，衬底与源极相连或接系统最高电位 GSDBP沟道沟道增强型增强型(E型型)MOSFETVGSVTHIDVDS0IDVGS0VTHl增强型增强型P沟道沟道MOSFET特性曲线：特性曲线：2、

11、耗尽型、耗尽型N沟道沟道MOSFET 耗尽耗尽VGS = 0就有导电沟道；就有导电沟道；DSGB耗尽型耗尽型N沟道沟道GSDB耗尽型耗尽型P沟道沟道GSDN+N+P区区（P型衬底）型衬底）B沟道沟道N沟道耗尽型特性曲线的特点：l VGS0时，时，ID = IDSS（饱和电流）；（饱和电流）；l VGSID；VGS ID ；l VGSVP时，时，沟道完全夹断沟道完全夹断(导电沟道消导电沟道消 失失)，ID=0。称。称VP为夹断电压。为夹断电压。N N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSMOS场效应管场效应管VGS= 0VGS 0IDSSIDIDVPVGSVDS00转移特性曲线输出特性曲线3 3、耗尽型、耗

12、尽型P P沟道沟道MOSFETMOSFETP沟道耗尽型MOSFET特性曲线的特点：l VGS 0时，时，ID=IDSS0 ( (饱和电流饱和电流) )；l VGS| |ID | |， VGS| |ID | | ；l VGSVP时，沟道夹断，时，沟道夹断，ID=0。 VP：夹断电压。夹断电压。VGS= 0VGS 0IDVDS0IDSSIDVPVGS0转移特性曲线输出特性曲线P P沟道耗尽型沟道耗尽型MOSMOS场效应管场效应管四、结型场效应管四、结型场效应管( (JFET ) )利用利用PNPN结宽度结宽度 1 1、N N沟道沟道JFETJFET注意几点：注意几点：l GS之间必须反偏，之间必须

13、反偏，且且VPVGS 0； l IG0，所以，所以，JFET输入电阻很大；输入电阻很大；l 依靠多子导电，依靠多子导电，属于耗尽型。属于耗尽型。I IDDV VGSGSV VP PI IDSSDSS0 0V VDSDSI IDDVGS=0VGS 0) )；VDS0，ID 00P沟道沟道JFET转移特性曲线转移特性曲线输出特性曲线输出特性曲线DSG N N沟道沟道FETFET电流大于零，符号箭头向内；其电流大于零，符号箭头向内；其转移特性区别在于工作时转移特性区别在于工作时V VGSGS取值不同。取值不同。DSGBN沟道沟道增强型增强型(E型型)DSGBN沟道沟道耗尽型耗尽型(D型型)IDSSIDVPVGS0N沟道沟道JFETDSGIDVGSVPIDSS0ID(mA)VGS(V)VTH0五、六种场效应管比较P沟道沟道FET电流小于零，符号箭头向外。其电流小于零，符号箭头向外。其 转移特性区别在于工作时转移特性区别在于工作时VGS取值不同。取值不同。IDVGSVPIDSS0P P沟道沟道JFETJFETDGSIDSSIDVPVGS0P P沟道沟道耗尽型耗尽型(D(D型型) )GSDBIDVGS0VTHP P沟道沟道增强型增强型(E(E型型) )GSDBIDVDSVGSIDVDSVGS输出特性输出特性N沟道沟道P沟